溶接最適化方法及びシステム並びに溶接方法
【課題】溶接設計の段階で溶接後の残留変形や残留応力の値を高精度に解析でき、この解析結果に応じて最適な溶接条件を決定できること。
【解決手段】任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる継手解析形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲で決定し（Ｓ１５）、この溶接条件に基づいて、この順番の溶接パスの溶接ビート断面形状を求め（Ｓ１６）、この溶接ビート断面形状をモデル化して基本解析モデルに追加し（Ｓ１７）、この解析モデルを用いてこの順番の溶接パスによる継手開先形状の溶接変形を熱弾塑性解析によって求め（Ｓ１８）、他の順番の溶接パスについても同様に実施し、溶接継手部の溶接解析を完了して溶接パス数を決定した後（Ｓ１９）、この溶接継手部についての判定指標値が許容範囲にある場合に、継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を記録し保存する（Ｓ２３）。
【解決手段】任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる継手解析形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲で決定し（Ｓ１５）、この溶接条件に基づいて、この順番の溶接パスの溶接ビート断面形状を求め（Ｓ１６）、この溶接ビート断面形状をモデル化して基本解析モデルに追加し（Ｓ１７）、この解析モデルを用いてこの順番の溶接パスによる継手開先形状の溶接変形を熱弾塑性解析によって求め（Ｓ１８）、他の順番の溶接パスについても同様に実施し、溶接継手部の溶接解析を完了して溶接パス数を決定した後（Ｓ１９）、この溶接継手部についての判定指標値が許容範囲にある場合に、継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を記録し保存する（Ｓ２３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施行するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法、溶接最適化システム、及びこの溶接最適化方法を用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、溶接構造物では、溶接によって残留変形及び残留応力が発生することがあり、このような残留変形及び残留応力が所定の値を越えると、溶接構造物の品質に悪影響を及ぼすことがある。従って、残留変形及び残留応力は極力低減する必要がある。
【０００３】
従来、溶接プロセスにおいて残留変形または残留応力を低減させる手段としては、現場作業者の経験と勘に頼って行われるか、あるいは自動溶接装置に現場作業者のノウハウを数値データとして入力するか、またはシミュレーションによる解析評価方法などが実施されている。
【０００４】
例えば、継手開先の形状を検出し、オフライン時に、検出された継手開先の形状に応じて、溶接電流及び溶接速度等の溶接条件を最適な溶接パス断面積との関係を考慮して段階的に調整し、調整された溶接条件によって自動溶接装置を制御して溶接を行うものが特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、溶接構造物の継手開先の形状に応じて溶接条件を設定するに当り、特定の溶接条件における溶接パスの積層の順序を決めるものとし、前記特定の溶接条件下で溶接による残留応力解析を行ない、残留応力評価点として予め定めた注目点における残留応力値が最も小さくなる溶接パスの積層順序を、複数ある溶接パスの積層順序を逐次比較して選択し、選択した順番で溶接するものが特許文献２に開示されている。
【０００６】
更に、多層溶接を行う際、予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成し、溶接を行う過程で部材の温度を計測して計測温度を得、各溶接パスについて溶接が終了した後に、解析モデルについて熱弾塑性解析を行い、計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得、この推定残留応力に応じて、残された溶接パスの溶接条件を変更して溶接を行うものが特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−９９３６号公報
【特許文献２】特開平９−１３７６号公報
【特許文献３】特開２００４−１８１４６２号公報
【特許文献４】特開２００５−８３８１０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】野田裕久他、温度依存型界面要素法を用いたＴ継手完全溶込み溶接時における高温割れの発生予測、溶接学会全国大会講演概要（平成１９年度春季全国大会）、社団法人溶接学会、Ｎｏ．８０，２００７年３月
【非特許文献２】山根敏他、狭開先溶接における溶融池の数値シミュレーション、溶接学会全国大会講演概要（平成１８年度秋季全国大会）、社団法人溶接学会、Ｎｏ．７９，２００６年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に溶接構造物を多層溶接する場合、溶接継手部全体の溶接パス計画、並びに各溶接パスの溶接電圧、溶接電流及び溶接速度などの溶接条件は、現場作業者の経験から事前に計画または推定可能であるが、実際には溶接による継手開先形状の変形が起こるために、特に最終層に近づくに従い溶接パス計画からずれてくる。特許文献１に記載の自動溶接装置では、この継手開先形状の溶接変形を随時検出し、溶接条件を適時変更して溶接を行っている。従って、溶接終了後の溶接パス数は、溶接施工を実際に実施してみないと確定できないという課題がある。
【００１０】
また、解析によって残留応力を評価する場合、この残留応力の評価は、溶接変形を考慮していない溶接パス計画に基づいた推定評価（特許文献２）、または実際の溶接時に測定された温度を用いた事後解析評価（特許文献３）となる。従って、これらの特許文献２及び３では、溶接パス計画の段階で溶接パス数を正確に把握できず、溶接設計段階で溶接構造物の残留変形や残留応力を解析によって高精度に評価できるものとはなっていない。
【００１１】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、溶接設計の段階で溶接後の判定指標値となる残留変形や残留応力の値を高精度に解析でき、この解析結果に応じて最適な溶接条件を決定できる溶接最適化方法及びシステム並びに溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る溶接最適化方法は、溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法であって、前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップと、任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいて、この任意の順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップと、前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップと、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップと、この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップと、を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明に係る溶接最適化システムは、溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化システムであって、前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップを実行する基本解析モデル生成手段と、任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいてこの順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップを実行する溶接条件等決定手段と、前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップを実行する溶接変形解析手段と、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップを実行する指標判定手段と、この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップを実行するデータ記録手段と、を有することを特徴とするものである。
【００１４】
更に、本発明に係る溶接方法は、本発明に係る溶接最適化方法によって求めた継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件に従って、実際の溶接施工を実施することを特徴するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る溶接最適化方法、溶接最適化システム及び溶接方法によれば、継手開先形状の溶接変形を考慮して溶接継手部の溶接解析を実行することにより、溶接施工前に、実際の溶接施工に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施工の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施工時の判定指標値となる残留変形値や残留応力値に対して、これらの残留変形値や残留応力値を精度良く解析して評価できる。従って、残留変形値や残留応力値などの判定指標値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る溶接最適化方法の第１の実施の形態を実施する溶接最適化システムを備えた自動溶接機による溶接方法を示す説明図。
【図２】図１の溶接最適化システムの構成を示すブロック図。
【図３】図２の溶接最適化システムが実施する溶接最適化方法を示すフローチャート。
【図４】（Ａ）は図１の溶接構造物を示す斜視図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶ部を拡大した溶接前の溶接継手部を示す斜視図。
【図５】図４の溶接構造物をモデル化した基本解析モデルを示す解析モデル図。
【図６】溶接電流と溶接速度と溶接ビート断面積との関係を示すグラフ。
【図７】図５の基本解析モデルに第１番目の溶接パスの溶接ビート断面形状をモデル化して追加した解析モデルを示す解析モデル図。
【図８】図５の基本解析モデルに第１番目の溶接パスの溶接ビート断面形状をモデル化して追加した解析モデルの他の例を示す解析モデル図。
【図９】溶接継手部において溶接変形を考慮しない溶接パス計画を説明する溶接ビード断面図。
【図１０】溶接継手部において溶接変形を考慮した溶接パス計画を説明する溶接ビード断面図。
【図１１】図４（Ｂ）に示す溶接継手部で、開先角度を異ならせたときを示す正面図。
【図１２】本発明に係る溶接最適化方法の第２の実施の形態を示すフローチャート。
【図１３】本発明に係る溶接最適化方法の第３の実施の形態を示すフローチャート。
【図１４】入熱量／溶接速度と溶接ビートの縦横比との関係を示すグラフ。
【図１５】本発明に係る溶接最適化方法の第４の実施の形態を説明するための溶接継手部を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
【００１８】
［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図１１）
図１は、本発明に係る溶接最適化方法の第１の実施の形態を実施する溶接最適化システムを備えた自動溶接機による溶接方法を示す説明図である。図２は、図１の溶接最適化システムの構成を示すブロック図である。図３は、図２の溶接最適化システムが実施する溶接最適化方法を示すフローチャートである。
【００１９】
図１に示す自動溶接装置としての自動溶接機１０は、溶接構造物としての厚板１Ａ、１Ｂの溶接継手部２に形成された継手開先３（図４（Ｂ））に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接（いわゆる多層盛り溶接）を実際に施行するものである。この自動溶接機１０は、溶接トーチ１１、自動溶接機制御装置１２、自動溶接機電源装置１３、及び解析結果データベースとしての溶接条件データベース１４を有して構成される。
【００２０】
溶接トーチ１１に自動溶接機電源装置１３から電源が供給される。自動溶接機制御装置１２は、溶接条件データベース１４に保存された溶接条件に基づいて各溶接パス毎に溶接トーチ１１を制御し、厚板１Ａ及び１Ｂの溶接継手部２に溶接、例えばアーク溶接を施行させる。前記溶接条件データベース１４には、溶接最適化システム１５にて解析された解析結果である前記溶接条件、即ち継手の種類、継手開先形状、溶接パス数、及び各溶接パスの溶接条件が記録され保存される（図３参照）。各溶接パスの溶接条件としては、溶接方法、溶接姿勢、溶接電圧、溶接電流、溶接速度、溶接金属供給量、溶接棒（溶接金属）径、溶接パス形状、溶接パス位置等である。
【００２１】
前記溶接最適化システム１５は、複数層の溶接を施行するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法を実行するものである。この溶接最適化システム１５による解析結果である溶接条件は、溶接条件データベース１４を介して自動溶接機制御装置１２へ入力されることで、自動溶接機１０を用いた実際の溶接施行の入力データとして用いられる。
【００２２】
自動溶接機１０を用いた実際の溶接を施行する際には、変位センサ（例えばレーザー変位計など）１６と、温度センサ（例えば熱電対など）１７と、溶接記録データベース１８が用いられる。変位センサ１６は、各溶接パスの位置、及び継手開先３形状の溶接変形を測定する。また、温度センサ１７は、溶接継手部２近傍に設置されて、各溶接パスの溶接施工時における温度履歴を測定する。
【００２３】
溶接記録データベース１８には、図３に示すように、実際の溶接施行中における、継手の種類、継手開先形状、溶接パス数、及び各溶接パスの溶接条件などの溶接条件と共に、温度センサ１７にて測定された温度履歴情報と、変位センサ１６にて測定された継手開先３形状の溶接変形情報とが溶接条件に対応づけて、溶接施行情報として記録され保存される。
【００２４】
ここで、本実施形態の多層盛り溶接で取り扱われる名称について説明する。「ビード」とは、１回の溶接で継手に積まれる溶接金属が溶融した後に凝固した塊をさし、「層」とは、継手に積まれるビードの層をいい、「多層盛り」とは、ビードを複数層積み上げて溶接することをいう。また「パス」とは、溶接進行方向に沿って行う一回の溶接操作のことをいう。
【００２５】
さて、溶接最適化方法を実行する溶接最適化システム１５は、図２に示すように、基本解析モデル生成ステップを実行する基本解析モデル生成手段１９と、溶接条件等決定ステップを実行する溶接条件等決定手段２０と、溶接変形解析ステップを実行する溶接変形解析手段２１と、指標判定ステップを実行する指標判定手段２２と、データ記録ステップを実行するデータ記録手段２３とを有して構成される。
【００２６】
基本解析モデル生成手段１９が実行する基本解析モデル生成ステップは、溶接構造物としての例えば厚板１Ａ及び１Ｂについて、溶接継手部２の継手の種類、継手開先３の形状に応じた基本解析モデル２４（図５；後に詳説）を生成する。この基本解析モデル生成ステップは、図３のステップＳ１１〜Ｓ１３に相当する。
【００２７】
溶接条件等決定手段２０が実行する溶接条件等決定ステップは、まず、任意の順番（例えば第ｋ（ｋは１以上の整数）番目）の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる継手開先３形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲で決定する。この溶接条件は、本実施の形態では、実際の溶接施行情報が予め保存された溶接記録データベース１８から、例えば溶接電圧、溶接電流、溶接速度、溶接金属供給量及び溶接棒径等が選択され決定される。次に、溶接条件等決定ステップは、この決定した溶接条件に基づいて、この第ｋ番目の溶接パスの溶接ビート断面形状を求める。この溶接条件等決定ステップは、図３のステップＳ１５及びＳ１６に相当する。
【００２８】
溶接変形解析手段２１が実行する溶接変形解析ステップは、まず第ｋ番目の溶接パスの溶接ビート断面形状を解析モデル化し、このビード解析モデル２５を基本解析モデル２４に追加して解析モデル２６（共に図７；後に詳説）を生成する。次に、溶接変形解析ステップは、第ｋ番目の溶接パスによって生じた継手開先形状の溶接変形を、解析モデル２６を用いた熱弾塑性解析によって求める。この溶接変形解析ステップは、図３のステップＳ１７及びＳ１８に相当する。
【００２９】
上述の溶接条件等決定ステップと溶接変形解析ステップは、他の順番の溶接パス、つまり第ｋ番目の溶接パス以降の溶接パスについても実行し、溶接継手部２の溶接解析を完了して溶接パス数ｎ（ｎは２以上の整数）を決定する。
【００３０】
指標判定手段２２が実行する指標判定ステップは、まず、溶接継手部２における溶接パス数ｎの決定後に、この溶接継手部２に全ての溶接パスを実行したときの判定指標値を求める。この判定指標値は、溶接解析完了後における溶接継手部２の残留変形値であり、熱弾塑性解析により求めたものである。指標判定ステップは、次に、求めた残留変形値が許容範囲内にあるか否か、例えば予め設定した許容残留変形値以下であるか否かを判定する。
【００３１】
指標判定ステップは、求めた残留変形値が許容残留変形値を超えている場合には、継手の種類、継手開先形状、各溶接パスの溶接条件を変更して、基本解析モデル生成ステップ、溶接条件等決定ステップ及び溶接変形解析ステップを再度実行させる。この指標判定ステップは、図３のステップＳ２１及びＳ２２に相当する。
【００３２】
データ記録手段２３が実行するデータ記録ステップは、指標判定ステップにおける残留変形値が許容残留変形値以下である場合に、継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を溶接条件データベース１４に記録して保存する。このデータ記録ステップは、図３のステップＳ２３に相当する。
【００３３】
次に、上述の基本解析モデル生成ステップ、溶接条件等決定ステップ、溶接変形解析ステップ、指標判定ステップ及びデータ記録ステップを有してなる溶接最適化方法を、図３〜図１１を用いて具体的に説明する。
【００３４】
図３に示すように、溶接構造物の溶接プロセスを最適化するには、まず対象となる溶接構造物の形状及び材質を決定する（Ｓ１１）。次に、継手の種類や継手開先３形状の選定を行い（Ｓ１２）、解析評価を実施するための基本解析モデル２４を生成する（Ｓ１３）。
【００３５】
本実施の形態では、例えば図４に示すような突合せ継手で、継手開先３がＶ型開先形状を有する２枚の厚板１Ａ、１Ｂを、アーク溶接により多層盛り溶接する場合について考える。ここでは、継手開先３の開先角度がθ１であるものとして、溶接パス部を除く基本解析モデル２４の生成を行う。すなわち母材に関して、図５に示すように、有限要素法を用いた要素を作成して基本解析モデル２４を生成する。いま説明のために、簡易な２次元モデルを用いているが、継手開先３形状の溶接変形を精度良く求めるためには、２次元モデルよりも３次元モデルを用いる方が好ましい。
【００３６】
次に、溶接パスを数えるためのパラメータｋを１に設定する（Ｓ１４）。そして、予め各種溶接条件を保存してある溶接記録データベース１８を参照し、第ｋ番目（第１番目）の溶接パスの溶接条件として最適な条件（溶接電圧、溶接電流、溶接速度、溶接金属供給量及び溶接棒径など）を決定する（Ｓ１５）。この溶接条件のうち、特に溶接不良に密接に関係する溶接電流、溶接電圧及び溶接速度については、高温割れ、融合不良、アンダーカット及びオーバーラップ等の溶接欠陥を生じさせない適切な範囲で選択する。
【００３７】
この第ｋ番目の溶接パスにおける溶接条件を選定するに際しては、それ以前になされた第（ｋ−１）番目の溶接パスにおける溶接開先３形状の溶接変形を考慮して行う。ここで、第（ｋ−１）番目の溶接パスにおける溶接開先３形状の溶接変形は、溶接変形解析手段２１における溶接変形解析ステップによる熱弾塑性解析（図３のＳ１８）によって解析されたものを用いる。
【００３８】
次に、ステップＳ１５にて選定した溶接条件から溶接ビード断面形状を求める（Ｓ１６）。この溶接ビード断面形状は、溶接記録データベース１８中の溶接金属供給量、溶接棒径及び溶接速度から推測可能である。例えば、溶接継手部２の長さがＬ＝２４０ｍｍとし、溶接速度Ｖｗ＝６０ｍｍ／ｍｉｎ、溶接金属供給量Ｖｐ＝１２０ｍｍ／ｍｉｎ、溶接棒径Ｄ＝２ｍｍとすれば、溶接ビード断面積Ｓは、以下の式より求められる。
【００３９】
［数１］
Ｓ＝（Ｄ／２）２×π×（Ｖｐ×Ｌ／Ｖｗ）／Ｌ＝（Ｄ／２）２×π×Ｖｐ／Ｖｗ
＝（２／２）２×π×１２０／６０＝６．２３ｍｍ２
【００４０】
溶接ビード断面積Ｓに対して、溶接ビードが埋めるべき継手開先３の寸法から溶接ビード断面形状（溶接パス形状）を求め、更に、１層を１つの溶接パスで構成するのか、あるいは１層を複数の溶接パスで構成するのかをこの段階で決定する。
【００４１】
また、溶接ビード断面積Ｓを求める方法として、前述の特許文献１に記載され図６に示すように、溶接電流と溶接速度と溶接ビード断面積との関係を溶接記録データベース１８から取り出してグラフ化し、このグラフから求めても良い。つまり、図６に示したグラフから判るように、溶接ビード断面積は溶接電流に対してほぼ直線的な比例関係であり、溶接速度に対しては反比例の関係にある。このようなグラフを、溶接方法、溶接姿勢ごとに直線近似できる代表点（例えば図６の点Ａ、Ｂ）について事前に要素試験などで把握し、溶接記録データベース１８に追加しておけば、選定した溶接電流及び溶接速度から溶接ビード断面積を求めることが可能となる。更に、例え溶接記録データベース１８中に存在しない任意の溶接条件に対しても、溶接電流及び溶接速度から直線内挿することで、溶接ビード断面積を求めることが可能となる。
【００４２】
この第ｋ番目の溶接パスの溶接ビード断面形状を解析モデル化したビード解析モデル２５を、図７に示すように基本解析モデル２４に追加して、解析モデル２６を生成する（Ｓ１７）。その際、第ｋ番目のビード解析モデル２５Ａと基礎解析モデル２４の節点が一致しない場合には、図８に示すように、基礎解析モデル２４の節点を第ｋ番目のビード解析モデル２５Ａの節点に合うように修正して、解析モデル２６Ａを生成する。
【００４３】
次に、解析モデル２６、２６Ａを用いて、第ｋ番目の溶接パスによる熱弾塑性解析から継手開先３形状の溶接変形を解析して予測する（Ｓ１８）。一般的な公知技術として熱弾塑性解析を行う場合、溶接継手部２とその近傍の温度分布データを得るために、熱伝導解析を行う必要がある。本実施の形態では、溶接記録データベース１８中に、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件に対応する温度履歴データが存在する場合について説明する。
【００４４】
解析モデル２６、２６Ａでは、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件に基づいて熱伝導解析を行い、解析モデル２６、２６Ａの全体の温度分布、温度履歴を求めて解析温度Ｔａを得る。溶接記録データベース１８中の温度履歴データを測定温度Ｔｅで表し、この測定温度Ｔｅが測定された実際の熱源（溶接トーチ１１）と温度センサ１７の位置関係に相当する解析モデル２６、２６Ａ上の位置（例えば図７の温度センサ対応点Ｃ）で、上述のように熱伝導解析により求められた解析温度をＴａで表す。
【００４５】
この解析温度Ｔａは、望ましくはＴａ＝Ｔｅであるが、本発明者らの経験では、それぞれのピーク温度の比（Ｔｅ−Ｔａ）／Ｔｅの値が±５％以内であれば、熱弾塑性解析で得られる解析値が適切な値になることを確認している。以下の説明では、Ｔａ＝Ｔｅであるとして説明するが、上述の解析温度Ｔａと測定温度Ｔｅとの温度比較作業を温度校正と呼ぶ。
【００４６】
温度校正の結果、Ｔａ≠Ｔｅ（つまり（Ｔｅ−Ｔａ）／Ｔｅの値が±５％を超えている場合）であれば、解析モデル２６、２６Ａの入熱条件、即ち、溶接電圧Ｅｋと溶接電流Ｉｋの積（入熱量Ｑ）に対して、例えば入熱効率を変更するなどの補正を行い、Ｔａ＝Ｔｅとなるまで熱伝導解析を繰り返す。Ｔａ＝Ｔｅとなった段階で、温度校正で得られた解析温度Ｔａを用いて熱弾塑性解析を行い、継手開先３形状の溶接変形を求める。
【００４７】
次に、解析モデル２６、２６Ａ上で溶接継手部２の全てを上述のようにして溶接解析したか否かを判定し（Ｓ１９）、溶接継手部２の全てにおいて溶接解析を実行していない場合にパラメータｋに１を加え（Ｓ２０）、第１番目から第ｎ番目までの溶接パスについて、溶接条件の選定（Ｓ１５）、溶接ビード断面形状の決定（Ｓ１６）、熱弾塑性解析（Ｓ１７、Ｓ１８）を順次実施する。溶接継手部２の全てにおいて溶接解析を実行した段階で、この溶接継手部２における継手開先３形状の溶接変形を累積して残留変形を求める（Ｓ２１）。尚、パラメータｋは、溶接が完了した段階でｎとなり、従って溶接継手部２の全体の溶接パス数はｎ個である。
【００４８】
ここで、ステップＳ１５の溶接条件の選定に際し、溶接中に発生する継手開先３形状の溶接変形を考慮して解析を行った場合と、特許文献２のように継手開先形状の溶接変形を考慮しないで解析を行った場合について、溶接パス数の違いを比較する。図９は、継手開先形状の溶接変形を考慮しないで計画した溶接ビード断面図、図１０は、ステップＳ１５により溶接中に発生する継手開先３形状の溶接変形を考慮して計画した溶接ビード断面図である。尚、図１０では、破線が溶接変形を考慮しない場合の継手開先形状であり、実線が溶接変形を考慮した継手開先３の最終的な形状である。また、図９と図１０中の○数字は、溶接パス番号を表している。
【００４９】
図１０に示すように、溶接パスを順次施工する溶接解析を行うに従い、継手開先３の開先角度は次第に小さくなっていく。これにより、例えば４層目の溶接パス数を比較すると３パスから２パス、最終層の６層目で４パスから３パスにそれぞれ、溶接パス数が減少することになる。
【００５０】
その後、溶接継手部２の溶接解析完了後の熱弾塑性解析結果から、全溶接パスでの残留変形値Σεを求める（Ｓ２１）。次に、この解析で得られた残留変形値Σεと予め定めておいた許容残留変形値と比較する（Ｓ２２）。残留変形値Σε＞許容残留変形値であれば、ステップＳ１２に戻り、例えば図１１に示すように継手開先３の開先角度θ１を小さくして開先角度θ２（θ２＜θ１）に変更し、またはステップＳ１５にて溶接条件を変更し、その後、新ためて解析モデル２６、２６Ａを生成して（Ｓ１７）溶接変形を解析し（Ｓ１８）、これらを全ての溶接パスについて実行して（Ｓ１９、Ｓ２０）残留変形値を評価する（Ｓ２１）。ここで、継手開先３の開先角度を小さくするのは、溶接パス数を減少させて入熱量を低減することで、残留変形、残留応力を抑制できるからである。
【００５１】
一方、残留変形値Σε≦許容残留変形値であれば、全ての溶接条件（継手の種類、継手開先形状、各溶接パスの溶接条件、溶接パス数など）と、解析結果（各溶接パスの溶接ビード断面形状、溶接継手部２における全溶接パスの残留変形値など）とを、溶接条件データベース１４に記録して保存し（Ｓ２３）、解析ルーチンを終了する。この溶接条件データベース１４に保存された溶接条件は、前述のごとく、例えば図１に示す自動溶接機１０の入力データとして用いられる。
【００５２】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）を奏する。
【００５３】
（１）溶接最適化システム１５が実行する溶接最適化方法では、溶接条件等決定ステップ（Ｓ１５、Ｓ１６）及び溶接変形解析ステップ（Ｓ１７、Ｓ１８）において、継手開先３形状の溶接変形を考慮して溶接継手部２の溶接解析を実行することにより、溶接施行前に、実際の溶接施行に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施行の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施行の判定指標値となる残留変形値に対して、指標判定ステップ（Ｓ２１、Ｓ２２）において、この残留変形値を精度良く解析して評価できる。従って、残留変形値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【００５４】
［Ｂ］第２の実施の形態（図１２）
図１２は、本発明に係る溶接最適化方法の第２の実施の形態を示すフローチャートである。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００５５】
本実施の形態の溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法が前記第１の実施の形態と異なる点は、指標判定ステップ（Ｓ４１、Ｓ４２）において用いられる判定指標値が、溶接解析完了後における溶接継手部２の残留応力値である点である。この残留応力値は、熱弾塑性解析から求めた溶接解析完了後における溶接継手部２の残留変形値から求められ、または熱弾塑性解析から直接求められる。
【００５６】
つまり、ステップＳ３１〜Ｓ３９、Ｓ４３は、前記第１の実施の形態のステップＳ１１〜Ｓ１９、Ｓ２３とそれぞれ同一である。ステップＳ４１において、ステップＳ３８、Ｓ３９の溶接解析完了後の熱弾塑性解析結果（溶接継手部２の残留変形値）から、全溶接パスでの残留応力値σＲを求める（Ｓ４１）。次に、この得られた残留応力値σＲを、予め定めておいた許容残留応力値と比較する（Ｓ４２）。「残留応力値σＲ＞許容残留応力値」であれば、ステップＳ３２に戻り、図１１に示すように継手開先３の開先角度θ１を小さくして開先角度θ２とし、またはステップＳ３５にて溶接条件を変更し、その後、新ためて解析モデル２６、２６Ａを生成して（Ｓ３７）溶接変形を解析し（Ｓ３８）、これらを全ての溶接パスについて実行して（Ｓ３９、Ｓ４０）残留応力値を評価する（Ｓ４１）。
【００５７】
一方、「残留応力値σＲ≦許容残留応力値」であれば、全ての溶接条件（継手の種類、継手開先形状、各溶接パスの溶接条件、溶接パス数など）と、解析結果（各溶接パスの溶接ビード断面形状、溶接継手部２における全溶接パスの残留応力値など）とを、溶接条件データベース１４に記録して保存し（Ｓ４３）、解析ルーチンを終了する。
【００５８】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（２）を奏する。
【００５９】
（２）溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法では、溶接条件等決定ステップ（Ｓ３５、Ｓ３６）及び溶接変形解析ステップ（Ｓ３７、Ｓ３８）において、継手開先３形状の溶接変形を考慮して溶接継手部２の溶接解析を実行することにより、溶接施行前に、実際の溶接施行に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施行の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施行時の判定指標値となる残留応力値に対して、指標判定ステップ（Ｓ４１、Ｓ４２）において、この残留応力値を精度良く解析して評価できる。従って、残留応力値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【００６０】
［Ｃ］第３の実施の形態（図１３、図１４）
図１３は、本発明に係る溶接最適化方法の第３の実施の形態を示すフローチャートである。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００６１】
本実施の形態の溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法が前記第１の実施の形態と異なる点は、溶接条件等決定ステップが行う第ｋ番目の溶接条件の決定に関して、適合する溶接条件が溶接記録データベース１８中に存在するか否かを判断するステップ（図１３のＳ５５）と、適合する溶接条件が溶接記録データベース１８中に存在しない場合に、溶接条件を解析により決定するステップ（図１３のＳ５８）が追加された点である。
【００６２】
つまり、ステップＳ５１〜Ｓ５４は、第１の実施の形態のステップＳ１１〜Ｓ１４とそれぞれ同一であり、ステップＳ５６及びＳ５７は、第１の実施の形態のステップＳ１５、Ｓ１６とそれぞれ同一であり、ステップＳ５９〜Ｓ６５は、第１の実施の形態のステップＳ１７〜Ｓ２３とそれぞれ同一である。
【００６３】
ステップＳ５５において、第ｋ番目の溶接パスにおける溶接条件の選定にあたり、まず、溶接記録データベース１８中に適合する溶接条件が存在するか否かを判断する。この判断で、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件が存在する場合には、第１の実施の形態と同一のステップＳ５６及びＳ５７に進む。
【００６４】
ステップＳ５５で、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件が存在しないと判断された場合には、溶接条件を解析により決定するステップＳ５８に進む。この溶接条件解析ステップＳ５８では、入熱量（アーク溶接では、溶接電圧と溶接電流）、溶接速度、溶接金属供給量、溶接棒径などの溶接条件、及び溶接ビード断面形状を解析によって決定する。
【００６５】
溶接欠陥に関する解析事例としては、例えば上記非特許文献１等が知られている。つまり、第ｋ番目の溶接パスにおける溶接条件を、力学モデルを用いた溶接欠陥解析から決定する。具体的には、溶接欠陥解析で得られる（入熱量／溶接速度）と溶接ビードの縦横比との関係（図１４）を用いて、溶接欠陥が発生しない正常な溶接を行いうる範囲に評価点Ｄを求め、この評価点Ｄにおいて溶接速度、入熱量（溶接電流及び溶接電圧）、溶接ビートの断面形状などを決定する。
【００６６】
また、溶接ビード断面形状を決定する解析事例としては、例えば上記非特許文献２等が知られている。つまり、第ｋ番目の溶接パスの溶接ビート断面形状を、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を用いた熱伝導方程式を用いた伝熱解析から決定する。具体的には、溶接速度及び入熱量（溶接電流、溶接速度）が、例えば上述のような溶接欠陥解析から決定されれば、これらを条件とした熱伝導方程式（ゴルダックの２楕円発熱モデル方程式、熱拡散モデル方程式）を用いた伝熱解析から、溶接ビート断面形状を決定する。
【００６７】
また、任意の溶接条件に対応する温度データが溶接記録データベース１８中に存在しない場合には、例えば上記特許文献４等に開示されている伝熱解析手法、すなわち、熱伝導方程式（ゴルダックの２楕円発熱モデル方程式、熱拡散モデル方程式）を用いた伝熱解析により温度履歴データを求めることが可能である。つまり、溶接トーチにより溶接構造物内に引き起こされる温度変化を、微分方程式または積分方程式により記述された熱伝導方程式を空間及び時間を離散化して数値的に解くことにより求めて、溶接時の温度履歴データを求める。この温度履歴データは、計測温度Ｔｅとみなされて解析温度Ｔａと比較される。
【００６８】
ステップＳ５７で第ｋ番目の溶接パスの溶接ビード断面形状を決定した後、またはステップＳ５８で第ｋ番目の溶接パスの溶接条件を解析により決定し、第ｋ番目の溶接パスの溶接ビード断面形状を決定した後に、ステップＳ５９〜Ｓ６２による熱弾塑性解析によって継手開先３形状の溶接変形を解析し、以後ステップＳ６３〜Ｓ６５を実行する。尚、このステップＳ６３及びＳ６４においては、残留変形値に代えて、第２の実施の形態と同様な残留応力値を用いてもよい。
【００６９】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（３）を奏する。
【００７０】
（３）溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法では、溶接条件等決定ステップ（Ｓ５５〜Ｓ５８）及び溶接変形解析ステップ（Ｓ５９、Ｓ６０）において、継手開先３形状の溶接変形を考慮して溶接継手部２の溶接解析を実行することにより、溶接施行前に、実際の溶接施行に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施行の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施行の判定指標値となる残留変形値や残留応力値に対して、指標判定ステップ（Ｓ６３、Ｓ６４）において、これらの残留変形値や残留応力値を精度良く解析して評価できる。従って、残留変形値や残留応力値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【００７１】
［Ｄ］第４の実施の形態（図１５）
図１５は、本発明に係る溶接最適化方法の第４の実施の形態を説明するための溶接継手部を示す説明図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００７２】
本実施の形態の溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法が前記第１の実施の形態と異なる点は、溶接条件等決定ステップにおいて、任意の順番（第ｋ番目）の溶接条件を、溶接不良を起こさない適正範囲内において、この順番の溶接パスの断面積が最大となるように決定した点である。
【００７３】
一般に溶接を行う際、初層や第２層では溶接電流は低めに設定される。これは、溶接開先３の底部が溶接による入熱によって溶けてしまい、この溶接開先３の底部が溶け落ちてしまうことを避けるためである。また最終層では、溶接の仕上げ面をきれいな面に保つために同様に溶接電流が低めに設定されて溶接される。従って、本実施形態に示す溶接ビード断面形状が最大となる溶接条件の選定は、第３層目以降から最終層の一つ前までの層に対して行われる。
【００７４】
図１５は例として、第５番目の溶接パスの溶接条件と溶接ビード断面形状を決定する場合である。いま溶接不良を起こさない適正な範囲内で、溶接電流Ｉｋ及び溶接速度Ｖｋの値を平均的な溶接条件とした場合の溶接ビード断面形状を、図１５中に○英数字５Ａの領域で表す。これに対し、溶接電流Ｉｋ及び溶接速度Ｖｋの値を、同様に溶接不良を起こさない適正範囲内で、溶接ビード断面形状が最大となるように決定したときの溶接ビード断面形状を、図１５中に○英数字５Ａ及び５Ｂの領域で表す。このように溶接ビード断面形状が最大となる溶接電流Ｉｋ及び溶接速度Ｖｋを、本実施形態では溶接条件等決定ステップにおいて選択する。
【００７５】
従って、本実施の形態では、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様の効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。
【００７６】
（４）第３層目以降から最終層の一つ前までの層における任意の順番の溶接パスにおいて溶接ビード断面積が最大となるので、溶接継手部２全体の溶接パス数は、溶接不良を起こさない溶接条件の適正な範囲内において最小数で済むことになる。残留変形値や残留応力値は、溶接する際の入熱による塑性変形が原因であるため、入熱回数を低減することは、即ち残留変形値や残留応力値を低減することに繋がる。このことから溶接施工前に、残留変形値や残留応力値の低減を目的とした溶接パス数の最適化が可能となり、最適な溶接条件を選択できる。
【００７７】
以上、本発明を上述の各実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、各実施の形態では、突合せ継手のＶ型継手開先におけるアーク溶接を用いた溶接構造物の溶接最適化方法及び溶接方法を説明したが、これに限定するものではなく、他の継手の種類や継手開先形状に対しても本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１Ａ、１Ｂ…厚板（溶接構造物）、２…溶接継手部、３…継手開先、１０…自動溶接機（自動溶接装置）、１４…溶接条件データベース、１５…溶接最適化システム、１６…変位センサ、１７…温度センサ、１８…溶接記録データベース、１９…基本解析モデル生成手段、２０…溶接条件等決定手段、２１…溶接変形解析手段、２２…指標判定手段、２３…データ記録手段、２４…基本解析モデル、２５…ビード解析モデル、２６…解析モデル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施行するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法、溶接最適化システム、及びこの溶接最適化方法を用いた溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、溶接構造物では、溶接によって残留変形及び残留応力が発生することがあり、このような残留変形及び残留応力が所定の値を越えると、溶接構造物の品質に悪影響を及ぼすことがある。従って、残留変形及び残留応力は極力低減する必要がある。
【０００３】
従来、溶接プロセスにおいて残留変形または残留応力を低減させる手段としては、現場作業者の経験と勘に頼って行われるか、あるいは自動溶接装置に現場作業者のノウハウを数値データとして入力するか、またはシミュレーションによる解析評価方法などが実施されている。
【０００４】
例えば、継手開先の形状を検出し、オフライン時に、検出された継手開先の形状に応じて、溶接電流及び溶接速度等の溶接条件を最適な溶接パス断面積との関係を考慮して段階的に調整し、調整された溶接条件によって自動溶接装置を制御して溶接を行うものが特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、溶接構造物の継手開先の形状に応じて溶接条件を設定するに当り、特定の溶接条件における溶接パスの積層の順序を決めるものとし、前記特定の溶接条件下で溶接による残留応力解析を行ない、残留応力評価点として予め定めた注目点における残留応力値が最も小さくなる溶接パスの積層順序を、複数ある溶接パスの積層順序を逐次比較して選択し、選択した順番で溶接するものが特許文献２に開示されている。
【０００６】
更に、多層溶接を行う際、予め設定された溶接条件に応じた解析モデルを生成し、溶接を行う過程で部材の温度を計測して計測温度を得、各溶接パスについて溶接が終了した後に、解析モデルについて熱弾塑性解析を行い、計測温度に応じて残留応力を評価して推定残留応力を得、この推定残留応力に応じて、残された溶接パスの溶接条件を変更して溶接を行うものが特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−９９３６号公報
【特許文献２】特開平９−１３７６号公報
【特許文献３】特開２００４−１８１４６２号公報
【特許文献４】特開２００５−８３８１０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】野田裕久他、温度依存型界面要素法を用いたＴ継手完全溶込み溶接時における高温割れの発生予測、溶接学会全国大会講演概要（平成１９年度春季全国大会）、社団法人溶接学会、Ｎｏ．８０，２００７年３月
【非特許文献２】山根敏他、狭開先溶接における溶融池の数値シミュレーション、溶接学会全国大会講演概要（平成１８年度秋季全国大会）、社団法人溶接学会、Ｎｏ．７９，２００６年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に溶接構造物を多層溶接する場合、溶接継手部全体の溶接パス計画、並びに各溶接パスの溶接電圧、溶接電流及び溶接速度などの溶接条件は、現場作業者の経験から事前に計画または推定可能であるが、実際には溶接による継手開先形状の変形が起こるために、特に最終層に近づくに従い溶接パス計画からずれてくる。特許文献１に記載の自動溶接装置では、この継手開先形状の溶接変形を随時検出し、溶接条件を適時変更して溶接を行っている。従って、溶接終了後の溶接パス数は、溶接施工を実際に実施してみないと確定できないという課題がある。
【００１０】
また、解析によって残留応力を評価する場合、この残留応力の評価は、溶接変形を考慮していない溶接パス計画に基づいた推定評価（特許文献２）、または実際の溶接時に測定された温度を用いた事後解析評価（特許文献３）となる。従って、これらの特許文献２及び３では、溶接パス計画の段階で溶接パス数を正確に把握できず、溶接設計段階で溶接構造物の残留変形や残留応力を解析によって高精度に評価できるものとはなっていない。
【００１１】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、溶接設計の段階で溶接後の判定指標値となる残留変形や残留応力の値を高精度に解析でき、この解析結果に応じて最適な溶接条件を決定できる溶接最適化方法及びシステム並びに溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る溶接最適化方法は、溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法であって、前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップと、任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいて、この任意の順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップと、前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップと、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップと、この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップと、を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明に係る溶接最適化システムは、溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化システムであって、前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップを実行する基本解析モデル生成手段と、任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいてこの順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップを実行する溶接条件等決定手段と、前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップを実行する溶接変形解析手段と、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップを実行する指標判定手段と、この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップを実行するデータ記録手段と、を有することを特徴とするものである。
【００１４】
更に、本発明に係る溶接方法は、本発明に係る溶接最適化方法によって求めた継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件に従って、実際の溶接施工を実施することを特徴するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る溶接最適化方法、溶接最適化システム及び溶接方法によれば、継手開先形状の溶接変形を考慮して溶接継手部の溶接解析を実行することにより、溶接施工前に、実際の溶接施工に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施工の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施工時の判定指標値となる残留変形値や残留応力値に対して、これらの残留変形値や残留応力値を精度良く解析して評価できる。従って、残留変形値や残留応力値などの判定指標値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る溶接最適化方法の第１の実施の形態を実施する溶接最適化システムを備えた自動溶接機による溶接方法を示す説明図。
【図２】図１の溶接最適化システムの構成を示すブロック図。
【図３】図２の溶接最適化システムが実施する溶接最適化方法を示すフローチャート。
【図４】（Ａ）は図１の溶接構造物を示す斜視図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶ部を拡大した溶接前の溶接継手部を示す斜視図。
【図５】図４の溶接構造物をモデル化した基本解析モデルを示す解析モデル図。
【図６】溶接電流と溶接速度と溶接ビート断面積との関係を示すグラフ。
【図７】図５の基本解析モデルに第１番目の溶接パスの溶接ビート断面形状をモデル化して追加した解析モデルを示す解析モデル図。
【図８】図５の基本解析モデルに第１番目の溶接パスの溶接ビート断面形状をモデル化して追加した解析モデルの他の例を示す解析モデル図。
【図９】溶接継手部において溶接変形を考慮しない溶接パス計画を説明する溶接ビード断面図。
【図１０】溶接継手部において溶接変形を考慮した溶接パス計画を説明する溶接ビード断面図。
【図１１】図４（Ｂ）に示す溶接継手部で、開先角度を異ならせたときを示す正面図。
【図１２】本発明に係る溶接最適化方法の第２の実施の形態を示すフローチャート。
【図１３】本発明に係る溶接最適化方法の第３の実施の形態を示すフローチャート。
【図１４】入熱量／溶接速度と溶接ビートの縦横比との関係を示すグラフ。
【図１５】本発明に係る溶接最適化方法の第４の実施の形態を説明するための溶接継手部を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。
【００１８】
［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図１１）
図１は、本発明に係る溶接最適化方法の第１の実施の形態を実施する溶接最適化システムを備えた自動溶接機による溶接方法を示す説明図である。図２は、図１の溶接最適化システムの構成を示すブロック図である。図３は、図２の溶接最適化システムが実施する溶接最適化方法を示すフローチャートである。
【００１９】
図１に示す自動溶接装置としての自動溶接機１０は、溶接構造物としての厚板１Ａ、１Ｂの溶接継手部２に形成された継手開先３（図４（Ｂ））に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接（いわゆる多層盛り溶接）を実際に施行するものである。この自動溶接機１０は、溶接トーチ１１、自動溶接機制御装置１２、自動溶接機電源装置１３、及び解析結果データベースとしての溶接条件データベース１４を有して構成される。
【００２０】
溶接トーチ１１に自動溶接機電源装置１３から電源が供給される。自動溶接機制御装置１２は、溶接条件データベース１４に保存された溶接条件に基づいて各溶接パス毎に溶接トーチ１１を制御し、厚板１Ａ及び１Ｂの溶接継手部２に溶接、例えばアーク溶接を施行させる。前記溶接条件データベース１４には、溶接最適化システム１５にて解析された解析結果である前記溶接条件、即ち継手の種類、継手開先形状、溶接パス数、及び各溶接パスの溶接条件が記録され保存される（図３参照）。各溶接パスの溶接条件としては、溶接方法、溶接姿勢、溶接電圧、溶接電流、溶接速度、溶接金属供給量、溶接棒（溶接金属）径、溶接パス形状、溶接パス位置等である。
【００２１】
前記溶接最適化システム１５は、複数層の溶接を施行するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法を実行するものである。この溶接最適化システム１５による解析結果である溶接条件は、溶接条件データベース１４を介して自動溶接機制御装置１２へ入力されることで、自動溶接機１０を用いた実際の溶接施行の入力データとして用いられる。
【００２２】
自動溶接機１０を用いた実際の溶接を施行する際には、変位センサ（例えばレーザー変位計など）１６と、温度センサ（例えば熱電対など）１７と、溶接記録データベース１８が用いられる。変位センサ１６は、各溶接パスの位置、及び継手開先３形状の溶接変形を測定する。また、温度センサ１７は、溶接継手部２近傍に設置されて、各溶接パスの溶接施工時における温度履歴を測定する。
【００２３】
溶接記録データベース１８には、図３に示すように、実際の溶接施行中における、継手の種類、継手開先形状、溶接パス数、及び各溶接パスの溶接条件などの溶接条件と共に、温度センサ１７にて測定された温度履歴情報と、変位センサ１６にて測定された継手開先３形状の溶接変形情報とが溶接条件に対応づけて、溶接施行情報として記録され保存される。
【００２４】
ここで、本実施形態の多層盛り溶接で取り扱われる名称について説明する。「ビード」とは、１回の溶接で継手に積まれる溶接金属が溶融した後に凝固した塊をさし、「層」とは、継手に積まれるビードの層をいい、「多層盛り」とは、ビードを複数層積み上げて溶接することをいう。また「パス」とは、溶接進行方向に沿って行う一回の溶接操作のことをいう。
【００２５】
さて、溶接最適化方法を実行する溶接最適化システム１５は、図２に示すように、基本解析モデル生成ステップを実行する基本解析モデル生成手段１９と、溶接条件等決定ステップを実行する溶接条件等決定手段２０と、溶接変形解析ステップを実行する溶接変形解析手段２１と、指標判定ステップを実行する指標判定手段２２と、データ記録ステップを実行するデータ記録手段２３とを有して構成される。
【００２６】
基本解析モデル生成手段１９が実行する基本解析モデル生成ステップは、溶接構造物としての例えば厚板１Ａ及び１Ｂについて、溶接継手部２の継手の種類、継手開先３の形状に応じた基本解析モデル２４（図５；後に詳説）を生成する。この基本解析モデル生成ステップは、図３のステップＳ１１〜Ｓ１３に相当する。
【００２７】
溶接条件等決定手段２０が実行する溶接条件等決定ステップは、まず、任意の順番（例えば第ｋ（ｋは１以上の整数）番目）の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる継手開先３形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲で決定する。この溶接条件は、本実施の形態では、実際の溶接施行情報が予め保存された溶接記録データベース１８から、例えば溶接電圧、溶接電流、溶接速度、溶接金属供給量及び溶接棒径等が選択され決定される。次に、溶接条件等決定ステップは、この決定した溶接条件に基づいて、この第ｋ番目の溶接パスの溶接ビート断面形状を求める。この溶接条件等決定ステップは、図３のステップＳ１５及びＳ１６に相当する。
【００２８】
溶接変形解析手段２１が実行する溶接変形解析ステップは、まず第ｋ番目の溶接パスの溶接ビート断面形状を解析モデル化し、このビード解析モデル２５を基本解析モデル２４に追加して解析モデル２６（共に図７；後に詳説）を生成する。次に、溶接変形解析ステップは、第ｋ番目の溶接パスによって生じた継手開先形状の溶接変形を、解析モデル２６を用いた熱弾塑性解析によって求める。この溶接変形解析ステップは、図３のステップＳ１７及びＳ１８に相当する。
【００２９】
上述の溶接条件等決定ステップと溶接変形解析ステップは、他の順番の溶接パス、つまり第ｋ番目の溶接パス以降の溶接パスについても実行し、溶接継手部２の溶接解析を完了して溶接パス数ｎ（ｎは２以上の整数）を決定する。
【００３０】
指標判定手段２２が実行する指標判定ステップは、まず、溶接継手部２における溶接パス数ｎの決定後に、この溶接継手部２に全ての溶接パスを実行したときの判定指標値を求める。この判定指標値は、溶接解析完了後における溶接継手部２の残留変形値であり、熱弾塑性解析により求めたものである。指標判定ステップは、次に、求めた残留変形値が許容範囲内にあるか否か、例えば予め設定した許容残留変形値以下であるか否かを判定する。
【００３１】
指標判定ステップは、求めた残留変形値が許容残留変形値を超えている場合には、継手の種類、継手開先形状、各溶接パスの溶接条件を変更して、基本解析モデル生成ステップ、溶接条件等決定ステップ及び溶接変形解析ステップを再度実行させる。この指標判定ステップは、図３のステップＳ２１及びＳ２２に相当する。
【００３２】
データ記録手段２３が実行するデータ記録ステップは、指標判定ステップにおける残留変形値が許容残留変形値以下である場合に、継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を溶接条件データベース１４に記録して保存する。このデータ記録ステップは、図３のステップＳ２３に相当する。
【００３３】
次に、上述の基本解析モデル生成ステップ、溶接条件等決定ステップ、溶接変形解析ステップ、指標判定ステップ及びデータ記録ステップを有してなる溶接最適化方法を、図３〜図１１を用いて具体的に説明する。
【００３４】
図３に示すように、溶接構造物の溶接プロセスを最適化するには、まず対象となる溶接構造物の形状及び材質を決定する（Ｓ１１）。次に、継手の種類や継手開先３形状の選定を行い（Ｓ１２）、解析評価を実施するための基本解析モデル２４を生成する（Ｓ１３）。
【００３５】
本実施の形態では、例えば図４に示すような突合せ継手で、継手開先３がＶ型開先形状を有する２枚の厚板１Ａ、１Ｂを、アーク溶接により多層盛り溶接する場合について考える。ここでは、継手開先３の開先角度がθ１であるものとして、溶接パス部を除く基本解析モデル２４の生成を行う。すなわち母材に関して、図５に示すように、有限要素法を用いた要素を作成して基本解析モデル２４を生成する。いま説明のために、簡易な２次元モデルを用いているが、継手開先３形状の溶接変形を精度良く求めるためには、２次元モデルよりも３次元モデルを用いる方が好ましい。
【００３６】
次に、溶接パスを数えるためのパラメータｋを１に設定する（Ｓ１４）。そして、予め各種溶接条件を保存してある溶接記録データベース１８を参照し、第ｋ番目（第１番目）の溶接パスの溶接条件として最適な条件（溶接電圧、溶接電流、溶接速度、溶接金属供給量及び溶接棒径など）を決定する（Ｓ１５）。この溶接条件のうち、特に溶接不良に密接に関係する溶接電流、溶接電圧及び溶接速度については、高温割れ、融合不良、アンダーカット及びオーバーラップ等の溶接欠陥を生じさせない適切な範囲で選択する。
【００３７】
この第ｋ番目の溶接パスにおける溶接条件を選定するに際しては、それ以前になされた第（ｋ−１）番目の溶接パスにおける溶接開先３形状の溶接変形を考慮して行う。ここで、第（ｋ−１）番目の溶接パスにおける溶接開先３形状の溶接変形は、溶接変形解析手段２１における溶接変形解析ステップによる熱弾塑性解析（図３のＳ１８）によって解析されたものを用いる。
【００３８】
次に、ステップＳ１５にて選定した溶接条件から溶接ビード断面形状を求める（Ｓ１６）。この溶接ビード断面形状は、溶接記録データベース１８中の溶接金属供給量、溶接棒径及び溶接速度から推測可能である。例えば、溶接継手部２の長さがＬ＝２４０ｍｍとし、溶接速度Ｖｗ＝６０ｍｍ／ｍｉｎ、溶接金属供給量Ｖｐ＝１２０ｍｍ／ｍｉｎ、溶接棒径Ｄ＝２ｍｍとすれば、溶接ビード断面積Ｓは、以下の式より求められる。
【００３９】
［数１］
Ｓ＝（Ｄ／２）２×π×（Ｖｐ×Ｌ／Ｖｗ）／Ｌ＝（Ｄ／２）２×π×Ｖｐ／Ｖｗ
＝（２／２）２×π×１２０／６０＝６．２３ｍｍ２
【００４０】
溶接ビード断面積Ｓに対して、溶接ビードが埋めるべき継手開先３の寸法から溶接ビード断面形状（溶接パス形状）を求め、更に、１層を１つの溶接パスで構成するのか、あるいは１層を複数の溶接パスで構成するのかをこの段階で決定する。
【００４１】
また、溶接ビード断面積Ｓを求める方法として、前述の特許文献１に記載され図６に示すように、溶接電流と溶接速度と溶接ビード断面積との関係を溶接記録データベース１８から取り出してグラフ化し、このグラフから求めても良い。つまり、図６に示したグラフから判るように、溶接ビード断面積は溶接電流に対してほぼ直線的な比例関係であり、溶接速度に対しては反比例の関係にある。このようなグラフを、溶接方法、溶接姿勢ごとに直線近似できる代表点（例えば図６の点Ａ、Ｂ）について事前に要素試験などで把握し、溶接記録データベース１８に追加しておけば、選定した溶接電流及び溶接速度から溶接ビード断面積を求めることが可能となる。更に、例え溶接記録データベース１８中に存在しない任意の溶接条件に対しても、溶接電流及び溶接速度から直線内挿することで、溶接ビード断面積を求めることが可能となる。
【００４２】
この第ｋ番目の溶接パスの溶接ビード断面形状を解析モデル化したビード解析モデル２５を、図７に示すように基本解析モデル２４に追加して、解析モデル２６を生成する（Ｓ１７）。その際、第ｋ番目のビード解析モデル２５Ａと基礎解析モデル２４の節点が一致しない場合には、図８に示すように、基礎解析モデル２４の節点を第ｋ番目のビード解析モデル２５Ａの節点に合うように修正して、解析モデル２６Ａを生成する。
【００４３】
次に、解析モデル２６、２６Ａを用いて、第ｋ番目の溶接パスによる熱弾塑性解析から継手開先３形状の溶接変形を解析して予測する（Ｓ１８）。一般的な公知技術として熱弾塑性解析を行う場合、溶接継手部２とその近傍の温度分布データを得るために、熱伝導解析を行う必要がある。本実施の形態では、溶接記録データベース１８中に、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件に対応する温度履歴データが存在する場合について説明する。
【００４４】
解析モデル２６、２６Ａでは、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件に基づいて熱伝導解析を行い、解析モデル２６、２６Ａの全体の温度分布、温度履歴を求めて解析温度Ｔａを得る。溶接記録データベース１８中の温度履歴データを測定温度Ｔｅで表し、この測定温度Ｔｅが測定された実際の熱源（溶接トーチ１１）と温度センサ１７の位置関係に相当する解析モデル２６、２６Ａ上の位置（例えば図７の温度センサ対応点Ｃ）で、上述のように熱伝導解析により求められた解析温度をＴａで表す。
【００４５】
この解析温度Ｔａは、望ましくはＴａ＝Ｔｅであるが、本発明者らの経験では、それぞれのピーク温度の比（Ｔｅ−Ｔａ）／Ｔｅの値が±５％以内であれば、熱弾塑性解析で得られる解析値が適切な値になることを確認している。以下の説明では、Ｔａ＝Ｔｅであるとして説明するが、上述の解析温度Ｔａと測定温度Ｔｅとの温度比較作業を温度校正と呼ぶ。
【００４６】
温度校正の結果、Ｔａ≠Ｔｅ（つまり（Ｔｅ−Ｔａ）／Ｔｅの値が±５％を超えている場合）であれば、解析モデル２６、２６Ａの入熱条件、即ち、溶接電圧Ｅｋと溶接電流Ｉｋの積（入熱量Ｑ）に対して、例えば入熱効率を変更するなどの補正を行い、Ｔａ＝Ｔｅとなるまで熱伝導解析を繰り返す。Ｔａ＝Ｔｅとなった段階で、温度校正で得られた解析温度Ｔａを用いて熱弾塑性解析を行い、継手開先３形状の溶接変形を求める。
【００４７】
次に、解析モデル２６、２６Ａ上で溶接継手部２の全てを上述のようにして溶接解析したか否かを判定し（Ｓ１９）、溶接継手部２の全てにおいて溶接解析を実行していない場合にパラメータｋに１を加え（Ｓ２０）、第１番目から第ｎ番目までの溶接パスについて、溶接条件の選定（Ｓ１５）、溶接ビード断面形状の決定（Ｓ１６）、熱弾塑性解析（Ｓ１７、Ｓ１８）を順次実施する。溶接継手部２の全てにおいて溶接解析を実行した段階で、この溶接継手部２における継手開先３形状の溶接変形を累積して残留変形を求める（Ｓ２１）。尚、パラメータｋは、溶接が完了した段階でｎとなり、従って溶接継手部２の全体の溶接パス数はｎ個である。
【００４８】
ここで、ステップＳ１５の溶接条件の選定に際し、溶接中に発生する継手開先３形状の溶接変形を考慮して解析を行った場合と、特許文献２のように継手開先形状の溶接変形を考慮しないで解析を行った場合について、溶接パス数の違いを比較する。図９は、継手開先形状の溶接変形を考慮しないで計画した溶接ビード断面図、図１０は、ステップＳ１５により溶接中に発生する継手開先３形状の溶接変形を考慮して計画した溶接ビード断面図である。尚、図１０では、破線が溶接変形を考慮しない場合の継手開先形状であり、実線が溶接変形を考慮した継手開先３の最終的な形状である。また、図９と図１０中の○数字は、溶接パス番号を表している。
【００４９】
図１０に示すように、溶接パスを順次施工する溶接解析を行うに従い、継手開先３の開先角度は次第に小さくなっていく。これにより、例えば４層目の溶接パス数を比較すると３パスから２パス、最終層の６層目で４パスから３パスにそれぞれ、溶接パス数が減少することになる。
【００５０】
その後、溶接継手部２の溶接解析完了後の熱弾塑性解析結果から、全溶接パスでの残留変形値Σεを求める（Ｓ２１）。次に、この解析で得られた残留変形値Σεと予め定めておいた許容残留変形値と比較する（Ｓ２２）。残留変形値Σε＞許容残留変形値であれば、ステップＳ１２に戻り、例えば図１１に示すように継手開先３の開先角度θ１を小さくして開先角度θ２（θ２＜θ１）に変更し、またはステップＳ１５にて溶接条件を変更し、その後、新ためて解析モデル２６、２６Ａを生成して（Ｓ１７）溶接変形を解析し（Ｓ１８）、これらを全ての溶接パスについて実行して（Ｓ１９、Ｓ２０）残留変形値を評価する（Ｓ２１）。ここで、継手開先３の開先角度を小さくするのは、溶接パス数を減少させて入熱量を低減することで、残留変形、残留応力を抑制できるからである。
【００５１】
一方、残留変形値Σε≦許容残留変形値であれば、全ての溶接条件（継手の種類、継手開先形状、各溶接パスの溶接条件、溶接パス数など）と、解析結果（各溶接パスの溶接ビード断面形状、溶接継手部２における全溶接パスの残留変形値など）とを、溶接条件データベース１４に記録して保存し（Ｓ２３）、解析ルーチンを終了する。この溶接条件データベース１４に保存された溶接条件は、前述のごとく、例えば図１に示す自動溶接機１０の入力データとして用いられる。
【００５２】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）を奏する。
【００５３】
（１）溶接最適化システム１５が実行する溶接最適化方法では、溶接条件等決定ステップ（Ｓ１５、Ｓ１６）及び溶接変形解析ステップ（Ｓ１７、Ｓ１８）において、継手開先３形状の溶接変形を考慮して溶接継手部２の溶接解析を実行することにより、溶接施行前に、実際の溶接施行に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施行の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施行の判定指標値となる残留変形値に対して、指標判定ステップ（Ｓ２１、Ｓ２２）において、この残留変形値を精度良く解析して評価できる。従って、残留変形値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【００５４】
［Ｂ］第２の実施の形態（図１２）
図１２は、本発明に係る溶接最適化方法の第２の実施の形態を示すフローチャートである。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００５５】
本実施の形態の溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法が前記第１の実施の形態と異なる点は、指標判定ステップ（Ｓ４１、Ｓ４２）において用いられる判定指標値が、溶接解析完了後における溶接継手部２の残留応力値である点である。この残留応力値は、熱弾塑性解析から求めた溶接解析完了後における溶接継手部２の残留変形値から求められ、または熱弾塑性解析から直接求められる。
【００５６】
つまり、ステップＳ３１〜Ｓ３９、Ｓ４３は、前記第１の実施の形態のステップＳ１１〜Ｓ１９、Ｓ２３とそれぞれ同一である。ステップＳ４１において、ステップＳ３８、Ｓ３９の溶接解析完了後の熱弾塑性解析結果（溶接継手部２の残留変形値）から、全溶接パスでの残留応力値σＲを求める（Ｓ４１）。次に、この得られた残留応力値σＲを、予め定めておいた許容残留応力値と比較する（Ｓ４２）。「残留応力値σＲ＞許容残留応力値」であれば、ステップＳ３２に戻り、図１１に示すように継手開先３の開先角度θ１を小さくして開先角度θ２とし、またはステップＳ３５にて溶接条件を変更し、その後、新ためて解析モデル２６、２６Ａを生成して（Ｓ３７）溶接変形を解析し（Ｓ３８）、これらを全ての溶接パスについて実行して（Ｓ３９、Ｓ４０）残留応力値を評価する（Ｓ４１）。
【００５７】
一方、「残留応力値σＲ≦許容残留応力値」であれば、全ての溶接条件（継手の種類、継手開先形状、各溶接パスの溶接条件、溶接パス数など）と、解析結果（各溶接パスの溶接ビード断面形状、溶接継手部２における全溶接パスの残留応力値など）とを、溶接条件データベース１４に記録して保存し（Ｓ４３）、解析ルーチンを終了する。
【００５８】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（２）を奏する。
【００５９】
（２）溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法では、溶接条件等決定ステップ（Ｓ３５、Ｓ３６）及び溶接変形解析ステップ（Ｓ３７、Ｓ３８）において、継手開先３形状の溶接変形を考慮して溶接継手部２の溶接解析を実行することにより、溶接施行前に、実際の溶接施行に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施行の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施行時の判定指標値となる残留応力値に対して、指標判定ステップ（Ｓ４１、Ｓ４２）において、この残留応力値を精度良く解析して評価できる。従って、残留応力値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【００６０】
［Ｃ］第３の実施の形態（図１３、図１４）
図１３は、本発明に係る溶接最適化方法の第３の実施の形態を示すフローチャートである。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００６１】
本実施の形態の溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法が前記第１の実施の形態と異なる点は、溶接条件等決定ステップが行う第ｋ番目の溶接条件の決定に関して、適合する溶接条件が溶接記録データベース１８中に存在するか否かを判断するステップ（図１３のＳ５５）と、適合する溶接条件が溶接記録データベース１８中に存在しない場合に、溶接条件を解析により決定するステップ（図１３のＳ５８）が追加された点である。
【００６２】
つまり、ステップＳ５１〜Ｓ５４は、第１の実施の形態のステップＳ１１〜Ｓ１４とそれぞれ同一であり、ステップＳ５６及びＳ５７は、第１の実施の形態のステップＳ１５、Ｓ１６とそれぞれ同一であり、ステップＳ５９〜Ｓ６５は、第１の実施の形態のステップＳ１７〜Ｓ２３とそれぞれ同一である。
【００６３】
ステップＳ５５において、第ｋ番目の溶接パスにおける溶接条件の選定にあたり、まず、溶接記録データベース１８中に適合する溶接条件が存在するか否かを判断する。この判断で、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件が存在する場合には、第１の実施の形態と同一のステップＳ５６及びＳ５７に進む。
【００６４】
ステップＳ５５で、第ｋ番目の溶接パスの溶接条件が存在しないと判断された場合には、溶接条件を解析により決定するステップＳ５８に進む。この溶接条件解析ステップＳ５８では、入熱量（アーク溶接では、溶接電圧と溶接電流）、溶接速度、溶接金属供給量、溶接棒径などの溶接条件、及び溶接ビード断面形状を解析によって決定する。
【００６５】
溶接欠陥に関する解析事例としては、例えば上記非特許文献１等が知られている。つまり、第ｋ番目の溶接パスにおける溶接条件を、力学モデルを用いた溶接欠陥解析から決定する。具体的には、溶接欠陥解析で得られる（入熱量／溶接速度）と溶接ビードの縦横比との関係（図１４）を用いて、溶接欠陥が発生しない正常な溶接を行いうる範囲に評価点Ｄを求め、この評価点Ｄにおいて溶接速度、入熱量（溶接電流及び溶接電圧）、溶接ビートの断面形状などを決定する。
【００６６】
また、溶接ビード断面形状を決定する解析事例としては、例えば上記非特許文献２等が知られている。つまり、第ｋ番目の溶接パスの溶接ビート断面形状を、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を用いた熱伝導方程式を用いた伝熱解析から決定する。具体的には、溶接速度及び入熱量（溶接電流、溶接速度）が、例えば上述のような溶接欠陥解析から決定されれば、これらを条件とした熱伝導方程式（ゴルダックの２楕円発熱モデル方程式、熱拡散モデル方程式）を用いた伝熱解析から、溶接ビート断面形状を決定する。
【００６７】
また、任意の溶接条件に対応する温度データが溶接記録データベース１８中に存在しない場合には、例えば上記特許文献４等に開示されている伝熱解析手法、すなわち、熱伝導方程式（ゴルダックの２楕円発熱モデル方程式、熱拡散モデル方程式）を用いた伝熱解析により温度履歴データを求めることが可能である。つまり、溶接トーチにより溶接構造物内に引き起こされる温度変化を、微分方程式または積分方程式により記述された熱伝導方程式を空間及び時間を離散化して数値的に解くことにより求めて、溶接時の温度履歴データを求める。この温度履歴データは、計測温度Ｔｅとみなされて解析温度Ｔａと比較される。
【００６８】
ステップＳ５７で第ｋ番目の溶接パスの溶接ビード断面形状を決定した後、またはステップＳ５８で第ｋ番目の溶接パスの溶接条件を解析により決定し、第ｋ番目の溶接パスの溶接ビード断面形状を決定した後に、ステップＳ５９〜Ｓ６２による熱弾塑性解析によって継手開先３形状の溶接変形を解析し、以後ステップＳ６３〜Ｓ６５を実行する。尚、このステップＳ６３及びＳ６４においては、残留変形値に代えて、第２の実施の形態と同様な残留応力値を用いてもよい。
【００６９】
従って、本実施の形態によれば、次の効果（３）を奏する。
【００７０】
（３）溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法では、溶接条件等決定ステップ（Ｓ５５〜Ｓ５８）及び溶接変形解析ステップ（Ｓ５９、Ｓ６０）において、継手開先３形状の溶接変形を考慮して溶接継手部２の溶接解析を実行することにより、溶接施行前に、実際の溶接施行に即した溶接パス数を含む正確な溶接パス計画を作成できる。このため、溶接パス数が実際の溶接施行の溶接パス数と略一致して、入熱量を実際の入熱量と略同一にできるので、実際の溶接施行の判定指標値となる残留変形値や残留応力値に対して、指標判定ステップ（Ｓ６３、Ｓ６４）において、これらの残留変形値や残留応力値を精度良く解析して評価できる。従って、残留変形値や残留応力値を許容範囲内に抑制できる最適な溶接条件を決定できる。
【００７１】
［Ｄ］第４の実施の形態（図１５）
図１５は、本発明に係る溶接最適化方法の第４の実施の形態を説明するための溶接継手部を示す説明図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００７２】
本実施の形態の溶接最適化システムが実行する溶接最適化方法が前記第１の実施の形態と異なる点は、溶接条件等決定ステップにおいて、任意の順番（第ｋ番目）の溶接条件を、溶接不良を起こさない適正範囲内において、この順番の溶接パスの断面積が最大となるように決定した点である。
【００７３】
一般に溶接を行う際、初層や第２層では溶接電流は低めに設定される。これは、溶接開先３の底部が溶接による入熱によって溶けてしまい、この溶接開先３の底部が溶け落ちてしまうことを避けるためである。また最終層では、溶接の仕上げ面をきれいな面に保つために同様に溶接電流が低めに設定されて溶接される。従って、本実施形態に示す溶接ビード断面形状が最大となる溶接条件の選定は、第３層目以降から最終層の一つ前までの層に対して行われる。
【００７４】
図１５は例として、第５番目の溶接パスの溶接条件と溶接ビード断面形状を決定する場合である。いま溶接不良を起こさない適正な範囲内で、溶接電流Ｉｋ及び溶接速度Ｖｋの値を平均的な溶接条件とした場合の溶接ビード断面形状を、図１５中に○英数字５Ａの領域で表す。これに対し、溶接電流Ｉｋ及び溶接速度Ｖｋの値を、同様に溶接不良を起こさない適正範囲内で、溶接ビード断面形状が最大となるように決定したときの溶接ビード断面形状を、図１５中に○英数字５Ａ及び５Ｂの領域で表す。このように溶接ビード断面形状が最大となる溶接電流Ｉｋ及び溶接速度Ｖｋを、本実施形態では溶接条件等決定ステップにおいて選択する。
【００７５】
従って、本実施の形態では、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様の効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。
【００７６】
（４）第３層目以降から最終層の一つ前までの層における任意の順番の溶接パスにおいて溶接ビード断面積が最大となるので、溶接継手部２全体の溶接パス数は、溶接不良を起こさない溶接条件の適正な範囲内において最小数で済むことになる。残留変形値や残留応力値は、溶接する際の入熱による塑性変形が原因であるため、入熱回数を低減することは、即ち残留変形値や残留応力値を低減することに繋がる。このことから溶接施工前に、残留変形値や残留応力値の低減を目的とした溶接パス数の最適化が可能となり、最適な溶接条件を選択できる。
【００７７】
以上、本発明を上述の各実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、各実施の形態では、突合せ継手のＶ型継手開先におけるアーク溶接を用いた溶接構造物の溶接最適化方法及び溶接方法を説明したが、これに限定するものではなく、他の継手の種類や継手開先形状に対しても本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１Ａ、１Ｂ…厚板（溶接構造物）、２…溶接継手部、３…継手開先、１０…自動溶接機（自動溶接装置）、１４…溶接条件データベース、１５…溶接最適化システム、１６…変位センサ、１７…温度センサ、１８…溶接記録データベース、１９…基本解析モデル生成手段、２０…溶接条件等決定手段、２１…溶接変形解析手段、２２…指標判定手段、２３…データ記録手段、２４…基本解析モデル、２５…ビード解析モデル、２６…解析モデル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法であって、
前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップと、
任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいて、この任意の順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップと、
前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップと、
前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップと、
この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップと、を有することを特徴とする溶接最適化方法。
【請求項２】
前記溶接条件等決定ステップは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件を、実際の溶接施工情報が予め保存された溶接記録データベースから選択して決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項３】
前記指標判定ステップが用いる判定指標値は、熱弾塑性解析によって求めた、溶接解析完了後における溶接継手部の残留変形値であることを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項４】
前記指標判定ステップが用いる判定指標値は、熱弾塑性解析によって求めた、溶接解析完了後における溶接継手部の残留応力値であることを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項５】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件を、力学的モデルに基づいた溶接欠陥解析から決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項６】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接ビード断面形状を、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を条件とした熱伝導方程式を用いた伝熱解析から決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項７】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件に対応した温度履歴データを、熱伝導方程式を用いた伝熱解析により求めることを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項８】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件を、この順番の溶接パスの断面積が最大となるように決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の溶接最適化方法によって求めた継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件に従って、実際の溶接施工を実施することを特徴する溶接方法。
【請求項１０】
前記溶接を自動溶接装置を用いて実際に施工する場合、溶接最適化方法によって求めた継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、及び各溶接パスの溶接条件を、前記自動溶接装置の入力データとして用いることを特徴する請求項９に記載の溶接方法。
【請求項１１】
前記溶接を実際に施工する際に、溶接パスの位置及び継手開先形状の溶接変形を測定する手段と、各溶接パス実行時における温度履歴を測定する手段とを用いて、実際に溶接された全溶接パスについて、溶接条件と共に、溶接パス位置情報、継手開先形状の溶接変形情報及び温度履歴情報を溶接記録データベースに保存することを特徴する請求項９記載の溶接方法。
【請求項１２】
溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化システムであって、
前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップを実行する基本解析モデル生成手段と、
任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいてこの順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップを実行する溶接条件等決定手段と、
前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップを実行する溶接変形解析手段と、
前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップを実行する指標判定手段と、
この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップを実行するデータ記録手段と、を有することを特徴とする溶接最適化システム。
【請求項１】
溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化方法であって、
前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップと、
任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいて、この任意の順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップと、
前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップと、
前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップと、
この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップと、を有することを特徴とする溶接最適化方法。
【請求項２】
前記溶接条件等決定ステップは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件を、実際の溶接施工情報が予め保存された溶接記録データベースから選択して決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項３】
前記指標判定ステップが用いる判定指標値は、熱弾塑性解析によって求めた、溶接解析完了後における溶接継手部の残留変形値であることを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項４】
前記指標判定ステップが用いる判定指標値は、熱弾塑性解析によって求めた、溶接解析完了後における溶接継手部の残留応力値であることを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項５】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件を、力学的モデルに基づいた溶接欠陥解析から決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項６】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接ビード断面形状を、溶接電流、溶接電圧及び溶接速度を条件とした熱伝導方程式を用いた伝熱解析から決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項７】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件に対応した温度履歴データを、熱伝導方程式を用いた伝熱解析により求めることを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項８】
前記溶接条件等決定ステップでは、任意の順番の溶接パスにおける溶接条件を、この順番の溶接パスの断面積が最大となるように決定することを特徴とする請求項１記載の溶接最適化方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の溶接最適化方法によって求めた継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件に従って、実際の溶接施工を実施することを特徴する溶接方法。
【請求項１０】
前記溶接を自動溶接装置を用いて実際に施工する場合、溶接最適化方法によって求めた継手の種類、継手開先の形状、溶接パス数、及び各溶接パスの溶接条件を、前記自動溶接装置の入力データとして用いることを特徴する請求項９に記載の溶接方法。
【請求項１１】
前記溶接を実際に施工する際に、溶接パスの位置及び継手開先形状の溶接変形を測定する手段と、各溶接パス実行時における温度履歴を測定する手段とを用いて、実際に溶接された全溶接パスについて、溶接条件と共に、溶接パス位置情報、継手開先形状の溶接変形情報及び温度履歴情報を溶接記録データベースに保存することを特徴する請求項９記載の溶接方法。
【請求項１２】
溶接構造物の溶接継手部に形成された継手開先に対して複数の溶接パスを行って複数層の溶接を施工するための溶接設計を最適に行う溶接最適化システムであって、
前記溶接構造物について、前記溶接継手部の継手の種類、前記継手開先の形状に応じた基本解析モデルを生成する基本解析モデル生成ステップを実行する基本解析モデル生成手段と、
任意の順番の溶接パスの溶接条件を、その前になされた溶接パスによる前記継手開先形状の溶接変形を考慮して、溶接不良を起こさない適正範囲内で決定し、この溶接条件に基づいてこの順番の溶接パスの溶接ビード断面形状を求める溶接条件等決定ステップを実行する溶接条件等決定手段と、
前記任意の順番の溶接パスの前記溶接ビード断面形状を解析モデル化して前記基本解析モデルに追加し、この追加して得られた解析モデルを用いて、この任意の順番の溶接パスによって生ずる前記継手開先形状の溶接変形を、熱弾塑性解析によって求める溶接変形解析ステップを実行する溶接変形解析手段と、
前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを他の順番の溶接パスについて実行して、前記溶接継手部の溶接解析を完了し溶接パス数を決定した後に、前記溶接継手部について判定指標値を求め、この判定指標値が許容範囲内にあるか否かを判定し、許容範囲内にない場合には、前記継手の種類、前記継手開先の形状を含む溶接条件を変更して前記基本解析モデル生成ステップ、前記溶接条件等決定ステップ及び前記溶接変形解析ステップを再度実行させる指標判定ステップを実行する指標判定手段と、
この指標判定ステップにおける判定指標値が許容範囲内にある場合に、前記継手の種類、前記継手開先の形状、溶接パス数、各溶接パスの溶接条件を解析結果データベースに記録して保存するデータ記録ステップを実行するデータ記録手段と、を有することを特徴とする溶接最適化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２０１４７４（Ｐ２０１０−２０１４７４Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０８６３（Ｐ２００９−５０８６３）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]